Question

【題目】實驗室以工業廢渣（主要含CaSO4·2H2O，還含少量SiO2、Al2O3、Fe2O3）為原料制取輕質CaCO3和(NH4)2SO4晶體，其實驗流程如下：

（1）室溫下，反應CaSO4(s)+(aq)CaCO3(s)+(aq)達到平衡，則溶液中=________[Ksp(CaSO4)=4.8×105，Ksp(CaCO3)=3×109]。

（2）將氨水和NH4HCO3溶液混合，可制得(NH4)2CO3溶液，其離子方程式為________；浸取廢渣時，向(NH4)2CO3溶液中加入適量濃氨水的目的是________。

（3）廢渣浸取在如圖所示的裝置中進行。控制反應溫度在60~70 ℃，攪拌，反應3小時。溫度過高將會導致CaSO4的轉化率下降，其原因是________；保持溫度、反應時間、反應物和溶劑的量不變，實驗中提高CaSO4轉化率的操作有________。

（4）濾渣水洗后，經多步處理得到制備輕質CaCO3所需的CaCl2溶液。設計以水洗后的濾渣為原料，制取CaCl2溶液的實驗方案：______[已知pH=5時Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀完全；pH=8.5時Al(OH)3開始溶解。實驗中必須使用的試劑：鹽酸和Ca(OH)2]。

Answer 1

【答案】1.6×104 +NH3·H2O++H2O(或+NH3·H2O++H2O) 增加溶液中的濃度，促進CaSO4的轉化 溫度過高，(NH4)2CO3分解 加快攪拌速率 在攪拌下向足量稀鹽酸中分批加入濾渣，待觀察不到氣泡產生后，過濾，向濾液中分批加入少量Ca(OH)2，用pH試紙測量溶液pH，當pH介于5~8.5時，過濾

【解析】

（1）反應CaSO4（s）+CO32-（aq）CaCO3（s）+SO42-（aq）的平衡常數表達式為，結合CaSO4和CaCO3的Ksp計算；

（2）氨水與NH4HCO3反應生成（NH4）2CO3；加入氨水抑制（NH4）2CO3的水解；

（3）溫度過高，（NH4）2CO3分解，使CaSO4轉化率下降；保持溫度、反應時間、反應物和溶劑的量不變，提高CaSO4轉化率即提高反應速率，結合反應的特點從影響反應速率的因素分析；

（4）根據工業廢渣中的成分知，浸取、過濾后所得濾渣中含CaCO3、SiO2、Al2O3和Fe2O3；若以水洗后的濾渣為原料制取CaCl2溶液，根據題給試劑，首先要加入足量鹽酸將CaCO3完全轉化為CaCl2，同時Al2O3、Fe2O3轉化成AlCl3、FeCl3，過濾除去SiO2，結合題給已知，再利用Ca（OH）2調節pH除去Al3+和Fe3+。

（1）反應CaSO4（s）+CO32-（aq）CaCO3（s）+SO42-（aq）達到平衡時，溶液中====1.6×104。答案：1.6×104

（2）NH4HCO3屬于酸式鹽，與氨水反應生成（NH4）2CO3，反應的化學方程式為NH4HCO3+NH3·H2O=（NH4）2CO3+H2O[或NH4HCO3+NH3·H2O（NH4）2CO3+H2O]，離子方程式為HCO3-+NH3·H2O=NH4++CO32-+H2O（或HCO3-+NH3·H2ONH4++CO32-+H2O）；浸取廢渣時，加入的（NH4）2CO3屬于弱酸弱堿鹽，溶液中存在水解平衡：CO32-+NH4++H2OHCO3-+NH3·H2O，加入適量濃氨水，水解平衡逆向移動，溶液中CO32-的濃度增大，反應CaSO4（s）+CO32-（aq）CaCO3（s）+SO42-（aq）正向移動，促進CaSO4的轉化。答案：HCO3-+NH3·H2O=NH4++CO32-+H2O（或HCO3-+NH3·H2ONH4++CO32-+H2O） 增加溶液中CO32-的濃度，促進CaSO4的轉化

（3）由于銨鹽具有不穩定性，受熱易分解，所以溫度過高，（NH4）2CO3分解，從而使CaSO4轉化率下降；由于浸取過程中的反應屬于固體與溶液的反應（或發生沉淀的轉化），保持溫度、反應時間、反應物和溶劑的量不變，提高CaSO4轉化率即提高反應速率，結合外界條件對化學反應速率的影響，實驗過程中提高CaSO4轉化率的操作為加快攪拌速率（即增大接觸面積，加快反應速率，提高浸取率）。答案：溫度過高，（NH4）2CO3分解 加快攪拌速率

（4）工業廢渣主要含CaSO4·2H2O，還含有少量SiO2、Al2O3和Fe2O3，加入（NH4）2CO3溶液浸取，其中CaSO4與（NH4）2CO3反應生成CaCO3和（NH4）2SO4，SiO2、Al2O3和Fe2O3都不反應，過濾后所得濾渣中含CaCO3、SiO2、Al2O3和Fe2O3；若以水洗后的濾渣為原料制取CaCl2溶液，根據題給試劑，首先要加入足量鹽酸將CaCO3完全轉化為CaCl2，發生的反應為CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，與此同時發生反應Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O、Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O，SiO2不反應，經過濾除去SiO2；得到的濾液中含CaCl2、AlCl3、FeCl3，根據“pH=5時Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀完全，pH=8.5時Al（OH）3開始溶解”，為了將濾液中Al3+、Fe3+完全除去，應加入Ca（OH）2調節溶液的pH介于5~8.5[加入Ca（OH）2的過程中要邊加邊測定溶液的pH]，然后過濾即可制得CaCl2溶液。答案：在攪拌下向足量稀鹽酸中分批加入濾渣，待觀察不到氣泡產生后，過濾，向濾液中分批加入少量Ca（OH）2，用pH試紙測得溶液pH，當pH介于5~8.5時，過濾